USB和Wi-Fi數據采集的優勢
美國國家儀器有限公司 Graham Green
過去20年中，數據采集從一種應用有限的技術已經發展為可適用于各種高性能測量應用的平臺。通過軟件為核心的圖形化編程和基于PC的模塊化硬件，工程師和科學家可以快速開發功能強大、靈活且可高度自定義的數據采集（DAQ）系統。
在應用中輕松集成USB和Wi-Fi的能力為DAQ技術的發展提供了一種新的途徑。舉例來說，位于法國的一位NI公司聯盟伙伴SAPHIR最近開發了一款基于USB的高級聲音和振動監測系統，用于幫助其建筑行業的客戶實施結構監測，來遵循臨近街區的噪聲規定。最近他們又采用Wi-Fi DAQ對其系統進行了擴展。
?“我們采用NI NI WLS-9163外盒配置NI 9234模塊將我們的監控站擴大到100米的范圍，系統提供了IEEE 802.11g (Wi-Fi)無線連接，實現靈活性的最大化。無線構架提供了更劃算的系統擴展方案。”
從環境監測到山地自行車測試，USB和Wi-Fi DAQ越來越受到青睞。那么這些DAQ技術是如何發展的，您在實現它們時需要考慮哪些問題呢？
DAQ通常涉及多任務，如模擬I/O、數字I/O和計數器/定時器同時運行。為了實現這些功能，DAQ設備必須能夠同時支持多個數據流，并能快速將數據讀取或寫入PC內存。目前，PCI是應用最廣泛的數據采集總線，并且仍用于最高性能的應用。PCI是DAQ的理想選擇，它能提供高帶寬、低延遲、總線控制和直接存儲器訪問(DMA)通道，允許直接向存儲器傳輸數據流。此外，隨著PCI Express的出現，如今的超高速和高通道數數據傳輸應用中的專用通道單槽單向帶寬已可達到1GB/s。然而，當便攜性和易于部署性比高傳輸速度更重要時，許多工程師會轉而選擇使用USB和Wi-Fi。
USB簡化了向臺式機或筆記本電腦上添加DAQ功能的工作。全世界有超過二十億的USB端口正在使用，這種通用性使USB成為最直接的選擇。現在的工程師和科學家可以通過USB DAQ快速共享設備，系統的便攜性和緊湊性也變得更好。
USB在測量應用中也存在對其自身的挑戰。舉例來說，高速USB的60 MB/s理論帶寬對于大多數DAQ應用來說是足夠的；然而，在設計USB DAQ的軟硬件中，為了達到這個理論帶寬還需要克服幾項障礙。USB是由主機驅動的串口協議，也就是說操作系統必須初始化所有數據傳輸請求。這種異步數據傳輸方式會降低確定性并增加CPU的負擔。解決該問題的一種方法是將數據緩沖到設備的額外存儲器上。這將有助于克服數據丟失，但卻增加了延遲和設備成本。我們真正需要的是一種在USB上支持多DAQ數據傳輸的方法。在許多設備中，這種想法受到傳統板載系統構架的限制。
用于連接DAQ設備和USB端的處理器是其中一個限制因素。在標準USB系統中，這一般是基于指令的單線程芯片，它就像一個開關，成為數據的瓶頸，一次只允許傳輸一段數據流。為了降低延遲提高吞吐量，主機必須能夠連續向設備發送數據請求。為滿足這種要求，設備必須盡快使數據在USB端就緒。傳統的‘單線傳輸’構架無法做到，而全新的NI USB信號流技術能夠解決這個問題。

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圖2. 采用基于USB的NI信號流的DAQ設備傳輸構架
作為NI公司的一項專利，USB信號流技術通過多線程方法避免了基于處理器的類似開關的行為。配合NI-STC 2系統定時控制器，NI信號流控制器提供4條高速DMA通道，支持向4個USB端口的直接數據傳輸。這種方法省去了對處理器資源的占用，此時的處理器可以接受主機的高級指令，將其轉化為一系列DAQ設備可接受的寄存器級指令。這樣就能最小化來自主機的指令數量，從而降低延遲。
信號流使得模擬輸入和輸出的單端采集性能分別提高了1600%和250%。這就意味著多條雙向數據流能夠同時進行，NI公司DAQ設備能達到超過26MB/s的速度。
盡管有上述的進展，USB線仍然有5米傳輸的限制。這個長度受限于26ns的延遲標準限制。由于USB使用源端和電壓模式的驅動，該延遲對于防止信號反射是必須的。5米線是實際的最大值。假設最糟糕的延遲時間，5米hub或USB線上連接的全速設備有280ps的停滯。將該值降低為0ps也只能增加0.05米的USB線長度。也就是說USB對于分布式環境監測等應用來說是不實用的。
為了擴展測量系統的使用距離，傳統方案是使用線纜式的工業網絡，這樣即增加成本又增加復雜性。因此，人們對無線網絡作為替代方案的興趣越來越濃厚。現在面臨的挑戰是，在使用新技術的同時又保持USB的易配置性。這不僅與新應用的設計有關，許多現有應用的擴展也可能用到無線。上文提到的SAPHIR公司的振動監測系統最初采用了USB，但由于每個測試地點都需要一臺筆記本，成本的增加促使他們轉而采用Wi-Fi。這種轉換必須快速、簡單且經濟。

無線傳感器網絡的應用已有多年歷史，但在其應用中需要采用定制硬件和專屬軟件。這使得簡單應用的構建也變得復雜，并要求極高的成本和工程技術能力。此外，許多現有的無線傳感器技術都與單點測量聯系在一起，而少有數據流波形采集。理想的無線DAQ方案應提供高性能、易用性、可靠性和安全性。基于以上，NI選擇了IEEE 802.11b/g，配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的廣泛使用以及其高達56 MB/s的傳輸速度，提供了易用性和足夠的性能來支持100kS/s的數據流采集。
IEEE 802.11也具備足夠可靠性。IEEE 802.11標準規定了無線客戶端之間、無線客戶端和基站或接入點之間的空中接口協議。標準還規定了物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)，并針對性地解決了制造商和無線設備之間的兼容問題。連接不符合IEEE標準的無線DAQ設備往往需要大量努力，同時也使測試變得不可靠的。那么，什么是IEEE 802.11標準，為何它對于DAQ來說是必須的呢？
IEEE 802.11的基本連接機制是載波監聽多路訪問和沖突檢測(CSMA/CA)協議，與以太網類似。任何希望傳輸數據的設備首先監聽物理網絡；如果網絡忙(如其它設備正在傳輸)，就延遲并在之后重新傳輸。如果網絡預定時間段空閑(DIFS – 分布式幀間隔)，傳輸開始。但是當兩臺設備同時發現網絡空閑時就會出現問題。兩臺設備都開始進行傳輸，造成沖突。
在線纜式系統如以太網中，這種沖突很容易被監測和計數，因為所有設備都能“聽到”其它設備。而在無線網絡中，一臺設備可能感知到網絡空閑，而事實上目標接收機(放置在中心位置)可能正忙于接收來自另一臺感知范圍之外的設備的數據。在通常的運行中，接收機在信息中添加一個校驗和，向設備返回確認(ACK)信息。如果設備沒有接收到確認信息，即時檢測到的網絡仍然是空閑的，但它仍將嘗試繼續發送請求。
這種數據保護協議是DAQ應用中必須的，不同于無線音樂或視頻流，任何數據丟失都將造成異常結果，使測量結果無效。IEEE 802.11標準的無線產品被認為是可靠且靈活的，但400頁的標準文檔中沒有提到任何安全性相關的文字。
許多應用對數據傳輸提出了安全性要求——出于國家安全的原因或是向潛在競爭對手隱藏數據的原因。無線安全性方面的語言可能非常復雜，且涉及更多縮寫。所有安全性都是基于各種數據編碼和用戶權限的組合。編碼標準由多種。首先是WEP(有線等效加密)，接下來是WPA(Wi-Fi保護訪問)，但兩種都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi產品符合WPA2標準，并使用AES(高級編碼標準)。它采用了128位密碼，這種密碼比WEP和WPA的算法更難破譯。事實上，國家標準技術局(NIST)選擇了AES作為編碼標準，所有美國政府機關都采用該標準。WPA2已被證實是穩定安全的，可用于各類應用包括Wi-Fi DAQ。
SAPHIR公司選擇使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒，因為它符合IEEE 802.11協議和WPA2的安全性。他們使用與之前USB系統相同的NI-DAQmx驅動，可以在無需重寫代碼的前提下升級到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平臺，作為采集和信號調理模塊，因此使硬件成本支出最小化。這也簡化并加速了向更實用、功能更強大的Wi-Fi系統的轉化。
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圖3. WLS-9163包含NI-9234動態信號采集模塊。
現在，Wi-Fi可以作為簡單且安全的DAQ選擇，供任何行業內的科學家和工程師使用。在那些采用有線方案會不實際，不能實現或者成本太高的應用中，它已經成功實現動態數據傳輸。今天的科學家和工程師無需擔心總線帶來的限制。相反，通過靈活的軟件和易用的驅動，開發人員能夠可以指定選擇適合應用的總線，從高吞吐率的PCI Express到簡單即插即用配置的USB、或高度靈活性和移動性的Wi-Fi。現在，領域專家掌握了DAQ系統的選擇權，從而更好地滿足他們的需要。